Дипломная работа на тему:
Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол
Выполнил Будько Юрий Анатольевич
Руководитель Овчинников Е.В.
Зав.кафедрой Струк В.А.
Адрес: BudzkoYuri@mail.ru
г. Гродно
Содержание
Введение 5
Глава I. Литературный обзор по теме: ’’Композиционные триботехнические материалы на основе сшивающихся смол ’’ 6
1.1. Типы композиционных материалов 6
1.2. Самосмазывающие материалы на основе сшивающихся связующих 8
1.3. Выбор типа сшивающегося связующего для изготовления материала. 11
1.4. Уникальность кремня 16
1.4.1. Непознанный кремень 16
1.4.2. Взаимодействие кремня с водой и обнаруженные при этом эффекты 17
1.4.3. Физико-химические и иные свойства кремня 18
1.4.4. Исследование термической стабильности кремня методами термогравиметрии и ДТА-анализа 19
1.4.5. Применение активированной кремнем воды в медицинской практике 21
Глава II. Методы исследования 23
2.1. Метод термического анализа 23
2.2.Определение коэффициента трения и удельного износа 26
2.3. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) 27
2.4. Определение ударной вязкости 30
2.5. Рентгеноструктурный анализ 31
Глава III. Исследование структуры и свойств полимерных материалов, модифицированных кремнийсодержащими добавками 33
3.1. Результаты рентгеноструктурного анализа 33
3.1.1.Рентгеноструктурный анализ кремня 33
3.1.2. Рентгеноструктурный анализ ПЭНД, модифицированного кремнием 35
3.2. Стойкость полимера к термоокислению (по ДТА и ТG анализу) 40
3.3. Ударная вязкость полимера 44
3.4. Триботехнические характеристики 44
Глава IY. Технология изготовления триботехнических материалов на основе полимеров 45
4.1. Принципы создания композиционных материалов на основе полимеров 46
4.2. Изготовление изделий методом контактного формования 49
4.3. Изготовление изделий методами свободного и центробежного литья 52
4.4. Технологический регламент изготовления композиционных материалов на основе ненасыщенных полиэфирных смол 55
4.5. Механическая обработка полиэфирных материалов 57
Глава Y. Требования техники безопасности при работе с полиэфирными смолами и инициирующими добавками 62
5.1. Хранение полиэфирных смол и инициирующих добавок 62
5.2. Переработка полиэфирных смол 64
Литература 68
Введение
Развитие современного машиностроения невозможно без решения многих проблем в области полимерного материаловедения, играющих роль в обеспечении надежности и долговечности машин и механизмов, приборов и различных устройств.
Существенное снижение материалоемкости производства можно обеспечить за счет массового применения эффективных видов металлопродукции, пластических и других прогрессивных материалов.
Наиболее широкое применение в машиностроении нашли такие крупнотоннажные полимеры, как полиамиды, полиолефины, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы. Потенциальные возможности крупнотоннажных полимеров изучены достаточно хорошо, однако реализованы не полностью. Особенно перспективно в качестве связующих композиционных материалов (КМ) конструкционного назначения применение олигомеров низкотемпературного отверждения. При этом наиболее важным является применение ненасыщенных полиэфирных смол (НПЭС), используемых в качестве связующих для стеклопластиков в судостроении, строительстве, машиностроении, в качестве пленкообразующих и компонентов пропиточных и заливочных составов, клеев, замазок, для изготовления товаров народного потребления.
Целью работы являлось изучение структуры и свойств полимеров, модифицированных кремнием. Кремний является дешевым материалом. Кроме того, установлено его уникальное воздействие на воду (происходит активация воды). А активированная кремнием вода оказывает положительное влияние на организм человека, животных[16]. Вот мы и попытались исследовать влияние кремния на структуру и физико-механические свойства материалов. Исследования проводились на полиэтилене низкого давления. Этот материал выбран потому, что он является более технологичным и дешевым, по сравнению с эпоксидными и фенолформальдегидными смолами.
Глава I. Литературный обзор по теме: ’’Композиционные триботехнические материалы на основе сшивающихся смол ’’
Композиционные материалы—это материалы, состоящие из двух или более компонентов (отдельных волокон или других армирующих составляющих и связующей их матрицы) и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств их составляющих компонентов. Компоненты композитов не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Они должны быть хорошо совместимы. Свойства композиционных материалов нельзя определить только по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия[24].
Композиционные материалы классифицируются обычно по виду армирующего наполнителя: волокнистые (армирующим компонентом служат волокнистые структуры); слоистые; наполненные пластики (армирующим компонентом являются различные частицы). В свою очередь наполненные пластики могут быть разделены на насыпные (гомогенные) и скелетные (начальные структуры, заполненные связующим). Армирующие компоненты могут представлять собой различные волокна, порошки, микросферы, кристаллы и “усы” из органических, неорганических, металлических материалов или керамики. Наиболее распространены следующие связующие, используемые в армированных пластиках: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, меламины, полиамиды, фторуглеродные соединения, ацетали, полипропилен, полиэтилен и полистирол. Связующие могут быть разделены на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты, или термореактивные смолы (связующие, в которых при нагревании происходят необратимые структурные и химические превращения). В настоящее время наибольшее распространение получили термореактивные связующие.
При разработке и изготовлении новых композиционных материалов, а также при создании конструкций из них приходится учитывать влияние внешних условий (температура, высокая влажность) на эти материалы. Необходимо учитывать и ряд специфических свойств композиционных материалов. Так, учет ползучести, которая является характерным свойством многих композиционных материалов, заставляет проектировщиков отказываться от целого ряда традиционных решений.
Целью создания композиционного материала является объединение схожих или различных компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств и характеристик исходных компонентов. С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкретной области применения. Композиционные материалы, оказавшиеся и экономичными, и удобными в проектировании, сегодня используются везде – от производства игрушек и теннисных ракеток до применения в космических аппаратах (теплоизоляция, микросхемы и др.).
Армирующие компоненты могут быть включены в состав армированных пластиков для изменения свойств термо- или реактопластов. Современная промышленность композиционных материалов широко варьирует различные сочетания армирующих компонентов и связующих, выбор которых определяется как техническими параметрами, так и ценой. Армированные пластики наиболее часто используются в двух видах: листовой материал (типичный пример такого материала – это бумага, пропитанная меламинофенольным связующим, или стекловолоконные маты, пропитанные полиэфирным связующим) и прессованные пластики (чаще всего используются пропитанные фенольным или другим связующим минеральные, хлопковые и другие волокна). Большинство свойств полученных композиционных материалов оказывается более высокими, нежели свойства исходных компонентов. К композитам следует также отнести и различные материалы, конструкционное назначение которых то же, что и одного из компонентов. Такого рода материалами являются, например, покрытые поливиниловой пленкой изделия, используемые в летальных аппаратах; металлопластиковые облицовки и т.д.
В настоящее время наиболее распространенными компонентами при создании материалов являются стеклянные, полиамидные, асбестовые волокна, бумага (целлюлозные волокна), хлопок, сизаль, джут и другие натуральные волокна. Все большее место в технологии производства композитов занимают такие материалы, как углеродные, графитовые, борные, стальные волокна и “усы” (очень короткие армирующие волокна, обычно кристаллические). Выбор того или иного армирующего наполнителя определяется ценой, составом и технологическими требованиями, предъявляемыми к свойствам армированных пластиков[2,4].
Для изготовления подшипников скольжения тяжелонагруженных и высокоскоростных узлов трения наиболее используемыми являются сшивающие полимерные связующие – фенолформальдегидные, эпоксидные и другие смолы. Среди них особо интересны фенолформальдегидные смолы, имеющие развитую сырьевую базу, обладающие высокими удельными физико-механическими характеристиками. На основе этого связующего создана группа композиционных материалов и покрытий антифрикционного назначения, нашедших широкое применение в машиностроении[9].
В качестве функциональных добавок, улучшающих износостойкость и снижающих коэффициент трения, в фенолформальдегидные смолы вводят графит, дисульфид молибдена, фторопласт-4, порошки металлов и оксидов, образующие на поверхностях трения устойчивую пленку переноса. Эффективным методом повышения фрикционных характеристик для композиций такого типа является реализация термоактивационного эффекта. Суть эффекта заключается в образовании в зоне трения многокомпонентной пленки, состоящей из сухой смазки и металлополимера, который генерируется непосредственно в процессе трения, благодаря разложению под действием локальных температур введенной в состав композиции металлосодержащей соли. Расширения нагрузочно-скоростного диапазона реализации термоактивационного эффекта удается достичь при использовании специальных методов обработки рабочей поверхности металлического вала. Так, фосфатирование вала из стали 45 в течение 3-15 мин позволяет снизить нагрузочно-скоростные режимы трения, обуславливающие образование металлополимерной антифрикционной пленки, при одновременном снижении коэффициента трения. Образование фосфатного слоя на поверхности вала способствует закреплению частиц смазочных компонентов, содержащихся в материале подшипника, увеличивает время нахождения их в зоне трения и тем самым обеспечивает стабильную работу узла трения.
Все большее распространение в машиностроении получают композиционные материалы на базе сшивающихся связующих холодного отверждения. Преимущества таких материалов: высокая технологичность изготовления и переработки, возможность использования в полевых и ремонтных условиях способствует их широкому применению. Среди таких композитов в настоящее время наиболее известны материалы на основе эпоксидных смол и их различных модификаций.
В последние годы внимание привлекают ненасыщенные полиэфирные смолы. Данные связующие имеют более низкую стоимость по сравнению с эпоксидными, высокие эксплуатационные показатели. Существенным недостатками полиэфирных смол являются низкая ударная вязкость, высокие усадка и коэффициент трения. Традиционные сухие смазки не обеспечивают значительного улучшения фрикционных характеристик полиэфирных смол. Наибольший эффект снижения коэффициента трения достигнут при введении компонентов, формирующих в зоне трения разделительные слои, например, легкоплавких полиолефинов. Под действием температур в зоне фрикционного контакта на поверхности полимерного подшипника формируется пленка расплава полиолефина, которая снижает адгезио